Материал: Введение в нанотехнологии (Рыбалкина), c.87

Например, в зависимости от конкретной схемы сворачивания графитовой плоскости, нанотрубки могут быть и проводниками, и полупроводниками. Электронные свойства нанотрубок можно целенаправленно менять путем их заполнения другими веществами

Может ли какой-либо иной материал с таким простым химическим составом похвастаться хотя бы частью тех свойств, которыми обладают нанотрубки?!

Спектр возможного применения нанотрубок очень широк. Разработано уже и несколько применений нанотрубок в компьютерной индустрии. Уже в ближайшем будущем могут появиться эмиссионные мониторы с плоским экраном, работающих на матрице из нанотрубок. Под действием напряжения, прикладываемого к одному из концов нанотрубки, с другого конца начинают испускаться электроны, которые попадают на фосфоресцирующий экран и вызывают свечение пикселя. Получающееся при этом зерно изображения будет фантастически малым: порядка микрона!

Другой пример - это использование нанотрубки в качестве иглы сканирующего туннельного или атомного силового микроскопа. Обычно такое острие представляет собой остро заточенную вольфрамовую иглу, но по атомным меркам такая заточка все равно достаточно грубая. Нанотрубка же представляет собой идеальную иглу диаметром порядка нескольких атомов. Прикладывая определенное напряжение, можно подхватывать атомы и целые молекулы, находящиеся на подложке непосредственно под иглой, и переносить их с места на место.

Необычные электрические свойства нанотрубок сделают их одним из основных материалов наноэлектроники. С использованием нанотрубок изготовлены новые элементы для компьютеров. Эти элементы обеспечивают снижение размеров устройств по сравнению с кремниевыми на несколько порядков.

Сейчас активно обсуждается вопрос о том, в какую сторону пойдет развитие электроники после того, как возможности дальнейшей миниатюризации электронных схем на основе традиционных полупроводников будут полностью исчерпаны (это может произойти в ближайшие 5-6 лет). И нанотрубкам отводится бесспорное лидирующее положение среди перспективных претендентов на место кремния.

Еще одно применение нанотрубок в наноэлектронике - создание полупроводниковых гетероструктур, т.е. структур типа "металл"/"полупроводник" или стык двух разных полупроводников.

Теперь для изготовления такой гетероструктуры не надо будет выращивать отдельно два материала и затем "сваривать" их друг с другом. Все, что требуется, это в процессе роста нанотрубки создать в ней структурный дефект (а именно, заменить один из углеродных шестиугольников пятиугольником просто особым образом надломив его посередине). Тогда одна часть нанотрубки будет обладать металлическими свойствами, а другая - свойствами полупроводников!

Пустоты внутри фуллеренов и нанотрубок также привлекали внимание ученых. Экспериментальным путем было установлено, если внутрь фуллерена внедрить атом какого-нибудь вещества (этот процесс носит название

36

"интеркаляция", т.е. "внедрение"), то это может изменять электрические свойства фуллеренов и может даже превратить изолятор в сверхпроводник!

А можно ли таким же образом изменить свойства нанотрубок? Оказывается, да. Ученые смогли поместить внутрь нанотрубки целую цепочку из фуллеренов с уже внедренными в них атомами гадолиния. Электрические свойства такой необычной структуры сильно отличались как от свойств простой, полой нанотрубки, так и от свойств нанотрубки с пустыми фуллеренами внутри. Интересно отметить, что для таких соединений разработаны специальные химические обозначения. Описанная выше структура записывается как Gd@C60@SWNT, что означает "Gd внутри C60 внутри однослойной нанотрубки (Single Wall NanoTube)".

Нанотрубки – идеальный материал для безопасного хранения газов во внутренних полостях. В первую очередь это относится к водороду, который давно стали бы использовать как топливо для автомобилей, если бы громоздкие, толстостенные, тяжелые и небезопасные при толчках баллоны для хранения водорода не лишали водород его главного преимущества – большого количества энергии, выделяемой на единицу массы (на 500 км пробега автомобиля требуется всего около 3 кг Н2).

Ввиду того, что запасы нефти на нашей планете не бесконечны, то автомобиль на водородном топливе - был бы эффектным решением многих экологических проблем. Поэтому, возможно, скоро вместо традиционного бензина новые водородные «бензобаки» с нанотрубками будут заполнять водородным топливом стационарно под давлением, а извлекать – небольшим подогреванием такого «водородобака». Чтобы превзойти обычные газовые баллоны по массовой и объемной плотности запасенной энергии (масса водорода, отнесенная к его массе вместе с оболочкой или к его объему вместе с оболочкой), нужны нанотрубки с полостями относительно большого диаметра – более 2–3 нм.

Внанотрубки можно не только "загонять" атомы и молекулы поодиночке, но

ибуквально "вливать" вещество. Как показали эксперименты, открытая нанотрубка обладает капиллярными свойствами, то есть она как бы втягивает в себя вещество. Таким образом, нанотрубки можно использовать как микроскопические контейнеры для перевозки и хранения химически или биологически активных веществ: белков, ядовитых газов, компонентов топлива и даже расплавленных металлов.

Попав внутрь нанотрубки, атомы или молекулы уже не могут выйти наружу: концы нанотрубок надежно "запаяны", а углеродное ароматическое кольцо слишком узкое для большинства атомов. В таком виде активные атомы или молекулы можно безопасно транспортировать. Попав в место назначения, нанотрубки раскрываются с одного конца (а операции "запаивания" и "распаивания" концов нанотрубок уже вполне под силу современной технологии) и выпускают свое содержимое в строго определенных дозах. Это - не фантастика, эксперименты такого рода уже сейчас проводятся во многих лабораториях мира. Уже создана нанотрубка с одним закрытым концом.

И не исключено, что через 10-15 лет на базе этой технологии будет проводиться лечение заболеваний: скажем, больному вводят в кровь заранее

37

приготовленные нанотрубки с очень активными ферментами, эти нанотрубки собираются в определенном месте организма некими микроскопическими механизмами и "вскрываются" в определенный момент времени. Современная технология уже практически готова к реализации такой схемы10.

Для внедрения данной технологии в массовом масштабе необходимо от 3х до 5 лет. Основная проблемой является отсутствие эффективных методов "открывания" таких механизмов и их интеграции в белковые маркеры клеток-мишеней.

Возможно, создадут более эффективные методы доставки лекарств на основе вирусов и нанокапсул. На основе нанотрубок также создан конвейер, способный транспортировать отдельные атомы с большими скоростями вдоль нанотрубки с большой точностью.

Рассмотренные выше наноматериалы из-за своих сверхмалых размеров относятся к ультрадисперсным.

Дисперсность – это степень раздробленности вещества на частицы. Чем меньше размер отдельной частицы, тем выше дисперсность. Большинство веществ окружающего нас мира существуют в виде дисперсных систем, например, грунты и почвы, многие технические материалы (песок, различные порошки и т.д.), некоторые продукты (соль, сахар, крупа). По степени дисперсности частицы можно разделить на грубодисперсные, высокодисперсные (или коллоидные – их размер колеблется от в пределах 10-5 - 10-7 м) и ультрадисперсные (соответственно, нанометрового порядка).

Повышенный интерес ученых к наноматериалам объясняется тем, что уменьшение дисперсности частиц какого-либо вещества может приводить к заметным изменениям их свойств. Так, еще в XIX веке Майкл Фарадей, впервые создав коллоидную суспензию золота, состоящую из крошечных частиц этого металла, обнаружил, что ее цвет менялся на фиолетовый, что свидетельствует об изменении отражающих свойств суспензии при уменьшении размеров частиц.

В последнее время стало известно, что наночастицы серебра имеют антибактериальный эффект, что делает их полезными для лечения многих болезней (это свойство серебра еще в древности заметили служителями церви, используя серебро для приготовления "свтой воды"). Это также говорит о том, что серебро в наноформе биологически активно.

Такие наночастицы углерода, как рассмотренные выше фуллерены и нанотрубки, своими удивительными свойствами также подтверждают тот факт, что многие вещества в наноформе не ведут себя так же, как они делают это в обыкновенном виде. Этот факт объясняется тем, что с уменьшением размеров частиц увеличивается их интенсивность взаимодействия с окружающей средой, что и приводит к изменению их газонасыщенности, окисленности, токсичности, взрывоопасности, плотности и т.д. по сравнению со свойствами тех же материалов в обычной форме.

10 Иванов И.П. Углеродные нанотрубки: их свойства и применение Э.Г. Раков Удивительные нанотрубки: свойства.

38

Отличие свойств малых частиц от свойств массивного материала известно уже достаточно давно и используется в разных областях техники. Примерами могут служить широко применяемые аэрозоли, красящие пигменты, получение цветных стекол благодаря окрашиванию их коллоидными частицами металлов. Малые частицы и наноразмерные элементы используются для производства различных авиационных материалов. Например, в авиации применяются радиопоглощающие керамические материалы, в матрице которых беспорядочно распределены тонкодисперсные металлические частицы.

Суспензии металлических наночастиц (обычно железа или его сплавов) размером от 30 нм используют как присадки к моторным маслам для восстановления изношенных деталей автомобильных и других двигателей непосредственно в процессе работы 11.

Дисперсные материалы в большинстве случаев не являются материалами, встречающимися в природе в свободном состоянии, а представляют собой вторичный продукт. В настоящее время существует большое количество способов измельчения веществ, например: механическое дробление (для получение различных порошков), резание (получение стружки), измельчение в шаровых вращающихся, вибрационных и вихревых мельницах, измельчение ультразвуком и др.

Наночастицы получаются при помощи нанотехнологии, в частности, методами туннельно-зондовой нанотехнологии (ТЗН) использующей возможности современных сканирующих микроскопов манипулировать отдельными атомами. И, конечно же, большие успехи в этом направлении будут достигнуты после создания первых ассемблеров - сборщиков атомных структур.

Дальнейшее развитие нанотехнологий: проблемы и перспективы.

Благодаря прорыву в области производства микроскопов, современные ученые могут манипулировать атомами и располагать их так, как им заблагорассудится. Такого еще не было за всю историю развития человечества!

Идеальная техническая система - это система, масса, габариты и энергоемкость которой стремятся к нулю, а ее способность выполнять работу при этом не уменьшается. Предельный случай идеализации техники заключается в уменьшении её размеров, (вплоть до полного исчезновении) при одновременном увеличении количества выполняемых ею функций. В идеале – технического устройства не должно быть, а функции, нужные человеку и обществу должны выполняться.

Закон увеличения степени идеальности гласит: развитие всех систем идет в направлении увеличения степени идеальности.

На практике хорошей иллюстрацией этого закона может служить постоянное стремление производителей микроэлектроники и бытовой техники к миниатюризации, создавать устройства всё меньших размеров, со все большими

11 Гусев А. "Наноматериалы и нанотехнологии".// Наука Урала №24. 2002

39

функциональными возможностями. Взять, например, те же сотовые телефоны или ноутбуки: все меньше размер, все выше функциональность.

Таким образом, нанотехнологии и наноустройства являются закономерным шагом на пути совершенствования технических систем. И, возможно, не последним: за областью нановеличин, лежат области пико (10-12), фемто (10-15), атто (10-18) и т.д. величин, с еще неизвестными и непредсказуемыми свойствами…

В настоящее время на рынке продаются только скромные достижения нанотехнологии - такие, как незагрязняющиеся ткани и упаковки, позволяющие дольше сохранять свежими продукты питания. Однако ученые предсказывают триумфальное шествие нанотехнологии в недалеком будущем, опираясь на факт её постепенного проникновении во все отрасли производства.

Нанотехнология станет основой новой промышленной революции, которая приведет к созданию устройств в 100 раз более прочных, чем сталь и не уступающих по сложности человеческим клеткам. Уже создаются и будут создаваться устройства, основанные на новейших материалах с необычными свойствами. Благодаря обработке на атомарном уровне, привычные материалы будут обладать улучшенными свойствами, постепенно становясь все легче, прочнее и меньше по объему. Согласно прогнозу большинства ученых, это произойдет уже через 10-20 лет.

Возможности использования нанотехнологий неисчерпаемы - начиная от микроскопических компьютеров, убивающих раковые клетки и заканчивая автомобильными двигателями, не загрязняющими окружающую среду.

Однако, большие перспективы чаще всего несут с собой и большие опасности. Взять хотя бы достижения в области атомной энергии и печальные последствия Чернобыльской аварии или трагедию Хиросимы и Нагасаки. Ученые всего мира сегодня должно четко представлять себе, что подобные "неудачные" опыты или халатность в будущем могут обернуться такой трагедией, ценой которой станет существование всего человечества и планеты в целом.

В связи с вышесказанным, становиться понятно, почему с самого появления нанотехнологии, её развитию мешают страхи, часть из которых однозначно относятся к разряду научной фантастики, но некоторые, однако ж, вовсе не лишены основания. К сожалению, обсуждение этих проблем выходит за область этой книги, поэтому, дабы не вводить читателя в заблуждение и позволить ему самостоятельно сделать выводы, в этой главе мы отдельно расскажем о тех перспективах и возможностях, которых мы вправе ожидать от нанотехнологий, а затем кратко опишем возможные проблемы и опасности, связанные с их развитием.

Небывалые возможности

Медицина

Медицина изменится неузнаваемо. Во-первых, наночастицы могут использоваться в медицине для точной доставки лекарств и для управления скоростью химических реакций. Нанокапсулы с метками-идентификаторами смогут доставлять лекарства непосредственно к указанным клеткам и микроорганизмам, смогут контролировать и отображать состояние пациента, следить за обменом

40